工业以太网现场总线EtherCAT及驱动程序设计

专家：刘艳强 领域：工业以太网 行业：网络通讯 日期：09-12-16 14:33 点击数：12566

 　 摘 要：EtherOAT是一种新型的实时工业以太网现场总线。文章介绍了EtherCAT技术的原理、技术 特点、性能以及EtherCAT主站和从站的配置方法、主站和从站驱动程序设计技术等。

　　关键词：EtherCAT；实时工业以太网；主站；从站

　　0 引言

　　工业以太网技术将成为工业控制网络和现场总 线的主流技术 ，但传统以太网的介质访问控制方式---带有冲突检测的载波侦听多路访问机制CSMA／CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detction)是一种非确定性的介质访问控制方式，不 能满足工业现场的实时性要求。针对这种情况 ，一 些国际著名的工业 自动化公司相断提出了工业以太 网技术的新标准。德国某公司提出的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术(也称为以太网现场总线)基于标准的以太网技术， 具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，具有高 速、高有效数据率等特点，其有效数据率可达 90％ 以上 ，全双工特性完全得以利用。该技术于2005年 2月正式成为IEC规范 一IEC／PAS 62407。除此之外 ， EtherCAT技术也将集成到国际现场总线标准的下一代标准IEC61 158和 IEC61800—7(电子功率可调速驱 动系统框架与接 口)之中。国际标准组织 (ISO)已将EtherCAT纳入ISO15745标准。EtherCAT技术引起了自动化技术领域的广泛关注，并于2003年成立了EtherCAT技术组织，简称ETG。到目前为止，ETG组织成员已超过 500个。

　　1 EtherCAT系统组成和工作原理

　　Ethe AT采用主从式结构 ，主站 PC机采用标准的 100Base．TX以太网卡 ，从站采用专用芯片。系统控制周期由主站发起 ，主站发出下行电报 ，电报的最大有效数据长度为1498字节。数据帧遍历所有从站设备，每个设备在数据帧经过时分析寻址到本机的报文 ，根据报文头 中的命令读入数据或写入数据到报文中指定位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器 (WKC)加 1，表示该数据被处理。整个过程会产生大约 10 as的时间延迟Il1。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧作为上行电报直接发送给主站。

　　主站收到此上行电报后 ，处理返回数据，一次通信结束。系统结构原理图如图 1所示 。

EtherCAT支持几乎所有的拓扑类型 ，包括线型 、树型 、星型等，其在物理层可使用100BASE—TX双绞线、100BASE—FX光纤或者LVDS(Low Voltage Differential Signaling，即低压差分信号传输)，还可以通过交换机或介质转换器实现不同以太网布线的结合。快速以太网的物理层 (100Base—TX)允许两个设备之 间的最大电缆长度为100m，而LVDS的物理层只能保障 lOm的传输间距，适合于近距离站点的连接。整个网络最多可以连接65535个设备。

　　借助于从站中的EtherCAT专用芯片和主站中读取网卡数据的 DMA技术，整个协议处理过程都在硬件中进行。EtherCAT系统可以在30gs内刷新1000个I／O点 ，它可以在300gs内交换一帧多达1486个字节的协议数据 ，这几乎相当于 12000个数字量输入或输 出。控制 100个输入输出数据均为 8字节的伺服轴只需要 100pst 。EtherCAT的高性能使它还可以处理分布式驱动器的电流 (转矩)控制。

　　2 EtherCAT数据包结构

　　EtherCAT以标准以太网技术为基础，在 MAC(媒体访问层)增加了一个确定性调度的软件层，该软 件 层 实 现 了通 信 周期 内的数 据帧 的传输 。

　　EtherCAT采用标准的IEEE802-3以太网帧 ，帧结构如图2，各部分含义见表 1。

EtherCAT没有重新定义新的以太网帧结构，而是在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型 0x88A4，采用这种方式可 以使控制数据 直接写入以太网帧内，并且可以与遵守其他协议的以太网帧在同一网络中并行。一个Ethe AT帧中可以包含若干个EtherCAT子报文，报文结构如图3，各部分含义见表2，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，由FMMU(Fieldbus Memory Manage—ment Unit，负责逻辑地址与物理地址的映射)寄存器和SM (Sync Manager，负责对ESC和微处理器内存的读写)寄存器定义 ，该区域最大可达 4GB字节。EtherCAT报文由一个 16位的WKC(WorkingCount)结束，其数据区最大长度可达 1486个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的寻址方式 ，由于数据链独立于物理顺序，因此可以对EtherCAT从站进行任意的编址。

　　3 EtherCAT技术的实现

　　3．1主站结构

　　EtherCAT技术在主站方面只需一块标准的NIC网卡 ，主站功能完全 由软件实现 。EtherCAT可以用一个 以太网帧发送'1486字节的有效数据，所以在通常情况下 ，每个通信周期只需要 1个或2个帧就能完成所有结点的全部通信。

　　EtherCAT主站程序应该包含以下几个方面 ：

　　(1)读取xML配置文件，根据配置文件信息构造主站与从站设备 ；

　　(2)管理EtherCAT从站，发送配置文件中定义的初始化帧，初始化从站，为通信做准备；

　　(3)使用邮箱操作实现非周期性数据传输，配置系统参数，处理通信过程中某些偶然性事件；

　　(4)实现过程数据通信，完成主站与从站之间的实时数据交换 ，达到主站控制从站运行，并处理从站实时状态的功能。

　　主站代码结构图如图4所示。

可以用多种编程语言来编写 EtherCAT主站程序，如 VC++、VB、Delphi等编程语言，无需特别复杂的代码 ，就可以实现主站功能 ，并且EtherCAT 主站不负责产生数据映射，而是由从站通过外围设备完成，进一步减轻了主站代码的复杂程序，减轻了主机CPU的负担。

　　3．2主站配置文件

　　EtherCAT从站内存区前4KB是配置寄存器。从站系统运行前要进行寄存器初始化，包括初始化从站物理地址、配置运行方式 (周期性通信、非周期性通信)、逻辑地址寄存器映射、分布时钟寄存器初始化等等。由主站读取该系统的配置文件，构造初始化命令帧，当从站处于该命令要求的状态时主站发出初始化命令。EtherCAT配置文件采用XML格式，XML语法简单，具有结构化、可扩展性等特点，能实现复杂事物的描述，易于在应用程序中读写。

　　EtherCAT配置文件格式如下：

< xml version= “1．0” encoding=” ISO8859—1”>－



－

－

－主站信息 (帧头定义)

－广播寻址信息 (初始化命令)

－<／M aster>

－

－从站信息 (通信信息)

－类型定义 (Mailbox／ProcessData)

－从站初始化信息

<／Slave>

－

<／Cyclic>

<／ Config>

<／EtherCATConfig>

整个配置文件分为3部分：

(1)主站结点：主要包括主站信息和广播寻址信息，主站信息主要包括主站名、目的地址、源地址 、以太网类型 。广播寻址信息是用广播方式对所有从站进行相同地初始化；

　　(2)从站结点 此部分可为若干个从站结点，主要包括从站信息、类型、从站初始化信息。从站信息主要包括从站名、物理地址、位置地址等；如果从站类型信息部分为 “Mailbox”，则此从站为复杂设备，从站接微处理器等设备，若为“ProcessData”则从站为简单设备，下面接I／O端子。从站初始化信息部分是针对单个从站，用位置寻址和物理寻址方式对其某些寄存器进行配置，包括应用层控制寄存器 请 求 信 息 及 应 用层 状态 寄存器 应答信息FMMU、SMs寄存器的配置信息等；

　　(3)周期数据信息，此部分信息是主站程序初始化过程数据帧的依据；

　　3．3从站实现

　　可以利用该公司开发的从站控制器 E S C(EtherCAT Slave Controller)根据实际需要设计从站设备。ESC从站控制器提供 3种接口规范，具体接口实现方式 由控制器上的E2PROM寄存器决定，接口规范如表 3。
 

I／O方式不需要接入微处理器，ESC控制器直接与I／0端子相连，I／O数据直接映射到ESC的内存空间，刷新速度非常快。微处理器方式中，ESC从站控制器在功能上相当于工业现场总线中的通信站点芯片。从站硬件示意图如图 5所示。

　　从站控制器与主站交换两种形式的数据：一种是周期性数据；一种是非周期性数据。周期性数据传输可以采用缓冲区方式，任何一方在任何时间都可以访问此方式定义的内存，得到最新数据；非周期性数据传输采用握手方式 (邮箱方式)实现，一方写入数据到定义的内存，只有完成定义内存的最后一个字节的写入 ，另一方才能开始从定义 内存中读出数据，而且 只有在读出定义内存的最后一个字节数据后 ，才能重新写人数据。缓冲区和邮箱由Sync—Manage寄存器 0x800—0x820)来定义。针对这两种数据通信方式，从站程序可以对非周期性数据通信 采 用查询 方式 ，查询 条件 由 SM 寄存 器0x805、0x80D决定，对周期性通信采用中断方式通过查询寄存器0x221判断中断类型，程序流程图如图 6、图7所示。
 

位微处理器接口与带有  接口的传统现场总线控制器接口相对应 ，适合于数据量较大的复杂设备。其从站代码程序可以实现传统现场总线从站程序的所有功能，如果用户熟悉现线总线从站程序编写，则可以很容易地完成从站代码功能的编写。

　　参考文献：

　　【1】德国倍福公司．实时以太网：  层超高速以太网．工业以太网与现场总线．
 
【2】  技术组．  一以太网现场总线．

　　【3】杜品圣．工业以太网技术的介绍和比较【J]．仪器仪表标准化与计量

　　【4】徐彤．以太网在实时控制领域中的应用【J]．火控雷达技术